西安致灾短时暴雨中尺度与动力指数特征

基于同化多普勒雷达资料的WRF模式、地面加密观测、卫星云图和NCEP再分析资料等,分析总结2015年8月3日、2016年7月24日西安两次致灾短时暴雨过程环境条件、中尺度系统及动力因子指数特征。结果表明:关中处于稳定少动的西太平洋副热带高压西北边缘,上干下湿、午后低层大气超绝热状态,为短时暴雨提供了热力条件。西风槽与近地层切变线是暴雨直接影响系统。伴随冷锋过境,午后西北方向咸阳、铜川一带地面偏北风跃增是短时暴雨有利触发因子,强降水位于地面3 h正变压中心至东侧大梯度区附近。短时暴雨对流云团距离北部高空急流相对较远,无斜压叶状云系特征,降水对上升气流拖曳作用明显,云团TBB中心降至-65 ℃以下后,周边出现最大雨强。暴雨云团内部,霰粒子含量最大,冰粒子比其他粒子偏少一个量级以上,最强上升运动在霰粒子中心上方-30 ℃层附近、接近雪粒子中心;伴随整层雨水、霰和雪粒子含量5倍以上突增出现短时暴雨,雪粒子比雨水、霰粒子开始增多时段偏晚约1 h,其含量峰值与最大雨强同步。两次短时暴雨环境条件和中尺度特征差异明显。“0803”过程为切变线冷区暴雨,高空西风急流范围大、位置偏南,西太平洋副热带高压较弱,西风槽后偏北冷空气活跃,偏南水汽输送弱,关中地区中下层存在明显能量锋区和对称不稳定;云团内部冰相粒子明显偏多,雪粒子相对霰粒子占比偏高,冷空气入侵有利于冰相粒子快速生长;暴雨位于能量锋区和对流云团边缘、TBB最大梯度区附近。“0724”过程为切变线暖区暴雨,高空急流范围小、位置偏北,西太平洋副热带高压强盛,偏北冷空气弱,偏南水汽输送明显,关中地区中下层为位势不稳定;云团内部冰粒子偏少,雪粒子相对霰粒子占比低;暴雨位于对流云团内部、TBB中心附近。定义的垂直螺旋度指数VHI和散度垂直通量指数DVFI对暴雨落区预报具有较好的参考价值:大暴雨位于动力指数异常大值中心趋于集中且稳定少动的区域附近,动力指数小于200、中心分散且大值持续时间短的区域,降水不明显。      

雷暴中雷电活动与WRF模式微物理和动力模拟量的对比研究

利用WRF模式模拟发生在成都地区的典型雷暴天气过程,得到相应雷电活动过程中微物理和动力输出场,将其与雷电监测定位网所探测到的地闪资料进行对比分析,在电荷分离的微物理学基础上讨论了WRF(Weather Research and Forecasting)模式输出的不同微物理及动力因子与地闪的相关性。结果表明:-10℃到-20℃之间的电荷分离区域内,冰晶粒子与霰粒子质量混合比最大值与地闪频数随时间变化趋势基本保持一致。在雷电活动中后期,霰、冰晶及雪晶粒子最大值位置与地闪密度大值中心位置对应性较好,空间上均能指示地闪发生区域。最大上升速度与风暴相对螺旋度可以指示地闪频数变化,风暴相对螺旋度空间上可指示地闪密度大值中心。模拟结果表明WRF模式微物理及动力输出场可以指示地闪活动的发生时间和位置,表现了日益成熟WRF模式进行雷电数值预报与研究的潜能。     

一次强暴雨过程地闪活动特征与中尺度对流系统和强降水的关系

利用2007年8月8日18时至9日02时发生在陕西关中强暴雨期间的地闪、卫星TBB、雷达回波和地面加密降水资料,通过统计和对比分析的方法,分析了地闪活动特征及其与中尺度对流系统（MCS）和强降水的关系。地闪活动特征分析显示,暴雨过程中负地闪占绝对优势,为总地闪的97.7%。负闪频数和总闪频数的逐时演变趋势完全一致且呈现两峰一谷的趋势,正闪频数的变化呈现三峰两谷的趋势,但是正闪频数最大值与总闪、负闪频数峰值时间一致。负闪活跃期正负闪6 min演变均表现为多峰结构,正闪的波峰提前于负闪的波峰12 min。负闪频数变化和MCS、雷达反射率因子演变对比分析表明,负闪发生区是未来对流云团和对流发展加强区,负闪频数密集区位于对流云团前部TBB等值线密集区,负闪频数的急剧增加意味着未来对流系统的猛烈发展;负闪主要出现在回波强度大于40 dBz的区域,正闪则落到强回波中心两侧30～40 dBz的回波区,中尺度对流系统快速发展加强期,负闪密集区位于回波单体的前沿,中尺度系统发展稳定少动期,负闪大部分集中在各对流单体的强回波中心附近。对比分析地闪与暴雨发生发展的关系可见,地闪的发生和急剧增加对暴雨发生和发展加强有很好指示意义,初闪的发生提前于强降水发生,地闪急剧增加与降水强度猛增密切关联,负地闪发生密集区是未来强降水发生区。     

070729特大暴雨的地闪特征与降水相关分析

利用闪电定位每分钟的实测资料、加密雨量站每分钟的雨量资料,以及卫星云图资料,对2007年7月29-30日,山西南部产生的特大暴雨的地闪特征进行了综合分析。发现：地闪出现在500hPa的5840gpm与5880gpm之间、TBB≤-43℃的区域内;低空急流左侧3个经距、700hPa暖切变南侧2-3个纬距所围区域与TBB≤-63℃的区域或云团南部TBB水平梯度的大值区相叠合的区域是地闪的高频数区和密集区,该区域与暴雨落区有较好的对应关系;3个中-β尺度对流云团和1个MCC是导致特大暴雨产生的主要对流系统。分析结果表明：两个中尺度云团合并的时刻是闪电频次更高的时刻,两个中尺度云团合并的地点是闪电频次更高更密集、降水更强的区域;利用单站每分钟的地闪累积数以及与加密雨量站每分钟雨量的关系,可以识别中-γ尺度对流系统,遥测小尺度强降水,提前35-40分钟预测雨强峰值的到来;只有在有利的高低层系统配置下,局地地闪频数与雨强随时间的变化才有很好的相关性。     

070729特大暴雨的地闪特征与降水相关分

利用闪电定位每分钟的实测资料、加密雨量站每分钟的雨量资料,以及卫星云图资料,对2007年7月29-30日,山西南部产生的特大暴雨的地闪特征进行了综合分析.发现:地闪出现在500hPa的5840gpm与5880gpm之间、TBB≤-43℃的区域内;低空急流左侧3个经距、700hPa暖切变南侧2～3个纬距所围区域与TBB≤-63℃的区域或云团南部TBB水平梯度的大值区相叠合的区域是地闪的高频数区和密集区,该区域与暴雨落区有较好的对应关系;3个中-β尺度对流云团和1个MCC是导致特大暴雨产生的主要对流系统.分析结果表明:两个中尺度云团合并的时刻是闪电频次更高的时刻,两个中尺度云团合并的地点是闪电频次更高更密集、降水更强的区域;利用单站每分钟的地闪累积数以及与加密雨量站每分钟雨量的关系,可以识别中-γ尺度对流系统,遥测小尺度强降水,提前35～40分钟预测雨强峰值的到来;只有在有利的高低层系统配置下,局地地闪频数与雨强随时间的变化才有很好的相关性.     

一次云南强对流暴雨的中尺度特征分析

利用NCEP/NCAR再分析资料及常规观测资料与雷达、卫星等非常规观测资料,综合分析了2014年6月6日云南暴雨过程的天气成因及中尺度对流系统特征。结果表明:500hPa前倾槽、700hPa切变线及地面冷锋是此次暴雨过程的天气尺度影响系统;高能高湿的对流不稳定层结、明显的垂直风向切变是强对流天气形成的有利条件;在Q矢量散度辐合区内多个β中尺度对流系统(MCS)发生发展,短时强降水主要出现在MCS移动方前沿对流活跃的云顶亮温(TBB)等值线密集区,雨强变化与TBB等值线梯度变化密切相关;多普勒雷达及地闪资料显示多个γ中尺度对流系统是强对流暴雨产生的直接影响系统,雷暴易发生于回波强度在35~45dBz、回波顶高超过10km的区域,中尺度辐合线、第二类γ中尺度辐合区附近负地闪密集区与短时强降水、雷暴天气有很好的对应关系。     

一次局地暴雨的地闪特征及其与强降水的关系

利用闪电定位仪每分钟实测资料、加密自动站逐分钟雨量和卫星云图云顶亮温TBB资料,对2013年4月29日西南涡东移过程中MCS产生的局地暴雨地闪特征进行了分析。结果表明：这次过程产生了大量地闪活动,且地闪主要出现在西南涡东侧500 hPa槽前辐合上升运动区、700 hPa暖切南侧850 hPa暖切北部的辐合带、TBB小于等于220 K区域南侧TBB水平梯度大值区的叠置区。整个过程负闪占主导地位,强降水发生在负闪密集区;MCS生命史不同阶段的正负闪频数、密集程度和分布位置是不同的。进一步分析发现单站地闪频数与TBB和强降水在时空变化上有一定的相关性,地闪频数和TBB表现为负相关,即TBB下降到最低值时,地闪频数则到达峰值;逐时地闪频数和雨强均呈单峰分布,负闪频数和强降水发展演变趋势一致,负闪峰值和最大雨峰时刻对应,正闪或和最大雨峰一致或略滞后,正负闪和雨峰的6 min演变趋势呈多峰分布,负闪初现12~18 min后出现降水,负闪突增较强降水有18~24 min的提前量。此个例显示MCS将朝向移动路径前侧的负闪密集区域移动,负闪密集区对局地强降水的落区和强度有较好的指示意义。     

云南两次中尺度对流雷暴系统演变和地闪特征

在利用NCEP/NCAR再分析资料诊断分析2010年9月21—23日中尺度对流雷暴系统形成的环流背景基础上,通过云南省闪电定位系统地闪监测资料和FY-2E卫星云图资料的同步叠加, 分析两个中尺度雷暴系统的演变和地闪特征。结果表明:台风凡亚比 (1011) 西行减弱的热带低压为中尺度对流雷暴系统提供有利的暖湿和抬升动力环流背景,促使中尺度弧状对流云带、中尺度雷暴云团和中尺度对流复合体生成和发展。雷暴云团结构和地闪活动空间分布不均匀并随时间变化,且正、负地闪频数与云顶亮温 (TBB) 相关,当TBB降低和等值线密度变大,雷暴云团发展,低TBB中心偏于云团的前部云区,负地闪频数剧增;当TBB达最低值时,雷暴云团成熟,负地闪频数达峰值,正地闪出现;当TBB升高且等值线密度变小时,雷暴云团减弱,低TBB中心靠近云团中心,负地闪频数迅速减小,正地闪频数达到峰值;密集的负地闪出现在雷暴云团前部大的TBB梯度区和TBB不大于-56℃的低值中心附近,正地闪分散在TBB不大于-56℃的低值中心附近,偏于负地闪区域后部发生。     

雹暴系统中单体相互作用宏微观物理过程研究

为探究雹暴过程中单体相互作用的演变特征,利用X波段双线偏振天气雷达和二维闪电监测数据,结合常规气象探空和ERA5再分析资料,分析了贵州威宁县2018年4月30日一次雹暴天气过程中单体合并特征。结果表明:本次雹暴天气主要受两单体合并影响,合并初期有“云桥”现象发生,两单体的强降水促进了连接处的增长;合并使对流系统整体加强发展,初期上升气流和下沉气流的相互作用使雷暴回波顶高降低;冰雹粒子在合并阶段呈现增长趋势,大值主要出现在合并结束前6 min和合并后6 min。本次天气过程中,负地闪频次占总地闪的94%;闪电频次在合并阶段出现跃增现象且达到峰值,较大的上升速度使得低密度霰和冰晶的增速超过高密度霰增速的5倍,低密度霰与冰晶粒子之间非感应碰撞是主要的起电过程;合并完成后,回波顶高下降,上升气流减弱,大粒子下落,受附近新生对流的影响,系统的霰粒子与冰晶粒子数短暂增加,闪电发生频次再次上升。      

强雷电天气过程闪电定位资料分析及预警服务

利用ADTD雷电定位显示监测系统资料和常规天气预报资料及驻马店多普勒雷达回波资料,对2013年7月20日信阳地区强雷暴天气的地闪和雷达回波的特征及相互关系进行了分析,结果表明闪电密集区移动方向的前沿位置与30dBz雷达回波区位置重叠,闪电密集区的移动可以准确地反映出对流云团的移动趋势。闪电密集区消失早于雷达回波区消散,地闪强度减小趋势比雷达回波减弱有30到60min的提前量。正地闪的出现,预示对流云团发展;正地闪消失,预示对流云团进入消亡阶段。利用闪电定位资料分析预测闪电落区和时效性比单一使用雷达回波资料更准确。闪电密集区的移动可以准确地反映出对流云团的移动趋势,因此可以将30或60min闪电分布图引入对流性天气的跟踪监测和预警预报业务中。     

山东中部一次强对流天气的中尺度结构和闪电特征分析

利用常规资料、NCEP再分析资料、闪电定位资料、多普勒雷达资料、FY-2E云图资料及全球定位系统(GPS)可降水量资料对2013年7月4日山东中部出现的一次强对流天气过程进行分析,结果表明:高空短波槽东移、地面中尺度气旋系统发展和东北低压槽后干冷空气入侵,是造成本次鲁中地区强对流天气的成因;强对流发生在低层辐合、高层辐散区域并与上升气流最强区对应;负地闪密集区,对应对流有效位能(CAPE)和假相当位温高值区;地闪主要分布在云顶亮温(TBB)-60℃的区域内,TBB值越低,负地闪越密集。在整个强对流发展过程中,负地闪占绝对优势;负地闪多存在于回波强度48 d BZ和顶高≥10 km的强回波区;雷达垂直累积液态含水量(VIL)和GPS可降水量能反映出降水出现时间和降水性质,雷达VIL峰值与降水出现时间较吻合;特殊地形对降水有很大贡献。     

一次长江中下游梅雨锋暴雨过程的诊断分析

利用NCEP 1°×1°再分析资料、FY-2C卫星云顶亮温(TBB)和中尺度模式WRF输出的15 km高分辨率资料,对2008年影响浙皖赣地区的一次梅雨锋暴雨过程进行了诊断分析.结果表明,青藏高原东侧西风槽和副热带高压之间的相互作用、对流层中低层切变线的维持以及低涡东移、发展是暴雨发生的天气尺度背景.TBB数据显示,在切变线附近不断有中尺度对流云团生成并东移、发展.与暴雨区相对应,在低空西南急流左侧存在多个β中尺度强水汽通量辐合中心,高空西风急流人口区右侧排列着一系列的辐散中心,表明该地区存在较强的水汽辐合上升运动.对流层低层高温高湿、中高层冷空气侵入,导致大气层结处于极不稳定状态.湿位涡的分布与中心位置对暴雨落区及强度具有较好地指示意义.暴雨区附近对流层高、低层都存在较明显的位涡水平平流,导致位涡扰动不断地自上游向下游地区移动.锋区前暖区的对流层中低层存在强垂直位涡柱,引发气旋性环流的发展,从而促进了辐合上升运动.     

拉萨一次热力雷暴的结构特征及数值模拟

利用三维对流风暴云模式对拉萨地区的一次热力雷暴进行了数值模拟和结构特征分析,结果表明,该模式较好地模拟出了此次高原地区热力雷暴在发生、成熟、消亡阶段的结构特征。热力雷暴发生阶段上升气流较小,成熟阶段热力雷暴的总水汽混合比最大,上升速度也达到最大值,随后热力雷暴单体不断下降,进入消亡阶段。热力雷暴的水成物粒子(冰晶、雪、霰和雹粒子)中,以冰晶粒子为主,整体生成量最高,但在热力雷暴初期阶段,以霰粒子为主,热力雷暴水汽含量偏少,出现在日最高温度之后,有着高原热力雷暴的独特特征。热力雷暴风场结构表现为低层辐合、高层辐散。高原热力雷暴的不稳定能量较小,午后热力扰动是主要的触发机制。     

基于WRF模式和CloudSat卫星资料对黄淮下游一次强对流天气过程的诊断分析和数值模拟

利用Cloud Sat卫星资料和WRF中尺度模式,结合NCEP再分析资料及FY2G静止气象卫星资料,研究了发生在黄淮地区的一次深对流天气过程,分析了此次过程的天气特征、动力结构,重点分析了该次强对流过程中各水成物的时空演变特征。结果表明:(1)黄淮下游地区处于副高西北边缘,温度高,湿度大,对流潜势好。在地面冷锋和低层切变线的抬升触发下,气流不断辐合上升,同时高层冷平流与低层暖湿空气为强对流的发展提供了热力不稳定条件;(2)使用静止卫星TBB产品可以很好的定位、追踪深对流系统,但单一的TBB产品无法分辨深对流云和较厚的高云。本文结合Cloud Sat卫星资料和TBB产品把剖面上的云分为3种:非对流云(NDC),一般深对流云(DC),深对流核(DCC);(3)深对流云核(DCC)位于对流系统南部边缘,在3种云中DCC中冰相粒子粒径大、数浓度多、冰水含量大,且其最大值区域都位于12 km高度附近,这一区域可能是对流云内冰晶凝华增长、凇附增长、聚并增长形成大冰相粒子的关键发生区;(4)耦合了NSSL双参方案的WRF模式对于本次过程体现了较好的模拟效果,并通过模拟再现了此次天气过程中水成物的分布特征,发现本次过程深对流云中存在过冷水累积带特征。冰核核化形成的冰晶通过碰并过程形成雪晶,霰又由雪晶碰撞冻结过冷水滴以及过冷雨滴冻结产生,之后不断增长转化形成冰雹,雹增长到足够大后降落,其中雪晶和过冷水累积带对霰(雹胚)及雹的产生及增长至关重要。     

江苏地区夏季雷暴的雷达回波特征研究

为提高江苏省地区雷暴监测预警能力，利用S波段双偏振多普勒天气雷达雷暴探测回波资料和闪电定位资料对江苏省2014年7—8月的夏季雷暴进行特征研究，研究了雷暴反射率核心区域的演变特征、不同温度层反射率因子与地闪频数随时间的相关性问题和雷暴发展过程云内粒子的演变特征。研究结果表明：在雷暴成熟之前，雷暴的反射率因子核心区域的强度、高度和云顶高度不断增加，以及对流发展旺盛，当雷暴成熟之后，雷暴的强反射率因子核心的强度和对应高度就会不断降低，雷暴将趋于消散；雷暴能够发生闪电的主要特征是40 dBZ回波顶高度要高于0℃温度层高度；雷暴中闪电的产生和霰粒子有着密切的联系，尤其是湿霰粒子。     

2009年四川夏季强雷电过程的气象卫星资料分析

利用FY2－C、FY2－D云顶亮温资料并结合2009年四川省闪电定位资料,选取了2009年6月19～20日1次典型的强雷电过程,并对该过程的雷电时空分布与强雷暴云团(MCS)的演变特征进行了分析。结果表明:(1)地闪频数与MCS的强度呈正相关。(2)地闪基本出现在小于220K的云区和前方TBB水平梯度最大的区域内,集中发生在小于200K的云区,大于240K的云区几乎没有地闪发生。(3) MCS发生发展期,地闪位于对流云团前方TBB梯度最大的区域内及其东侧,地闪频数极大值发生在强烈发展期。成熟阶段,地闪猛烈下降。消亡期,地闪位于对流云团中心附近,但很快消失。(4)单站强降水时段和TBB低值区有较好的对应关系并且地闪逐时峰值比降水峰值提前约1h,可为单站短时暴雨的预警提供参考。      

基于雷达、卫星资料对河南省一次雷暴过程的地闪演变分析

利用地闪探测系统资料、多普勒雷达资料和卫星云图资料,分析了河南省一次雷暴过程的地闪特征及其与云体结构的关系,结果表明:在雷暴整个生命史中负地闪占据主导地位,占总地闪的99.5%;地闪平均强度与地闪频次存在负相关关系;初次地闪出现时雷暴强度迅速增强;40 d BZ强回波顶高、6 km高度50 dBZ强回波面积以及5 km高度之上50 dBZ强回波体积与地闪频次存在明显的正相关关系,在整个雷暴过程中的相关系数分别为0.80、0.91和0.93,而在雷暴不同发展阶段3种雷达参量与地闪频次的相关性有不同的变化趋势;地闪一般分布在6 km高度雷达回波≥40 dBZ、云顶亮温≤200 K的区域,有助于识别强对流区。     

南京一次雷雨的闪电特征与多尺度资料分析

为探究闪电与其他气象要素之间的关系及可预报性,本文利用探空资料、多普勒天气雷达资料、闪电定位仪资料、卫星云图资料和地面自动气象站资料,对2009年7月7日南京雷雨天气进行多尺度分析.结果表明:暴雨过程中负地闪始终占较大比例,正地闪的数目在雷暴消散阶段稍有增长;地闪频数与地面风速时序变化呈现很好的一致性;雷暴来临前风矢位温特征表明对流云发展高度较高,对流层顶的薄层超低温为强对流发生提供了热力不稳定的先兆信息,整层大气深厚的顺时针垂直切变及中低层偏南风为强对流天气提供了有利的动力和水汽条件,为雷暴潜势预报提供了依据;地闪分布与雷达回波顶高、强的风切变区域以及暴雨落区有明显对应关系;负地闪密集区位于雷达强回波核前方强度为40 ～45dBz区域处,对于回波的未来移向有指示作用.     

2010年春季陕西中南部一次暴雪和雷暴天气的触发条件及中尺度分析

运用常规气象资料和FY-2C卫星云图TBB(云顶亮温)、多普勒雷达、NCEP等资料,对2010年4月13日晚到14日上午陕西中部暴雪以及陕南雷暴天气的特点、环境场条件和中尺度系统的演变进行对比分析。结果表明:强高空锋区和青藏高原东移的低槽是造成陕西关中北部暴雪及陕南南部雷暴的影响系统;700hPa西南风急流输送的水汽和不稳定能量,横切变上较强的风速、风向辐合产生强的上升运动是产生暴雪和雷暴的动力条件;动力强迫作用在这次雷暴、暴雪过程中起到重要作用,与高空锋区、高空急流及低空急流相联系的次级环流上升支是这次雷暴的触发机制之一;过程前期低层被冷空气控制,存在较明显的锋面逆温,逆温层之上的气块绝热上升获得浮力导致雷暴,说明这次过程存在着高架雷暴;暴雪过程存在着中尺度的地面辐合线,陕南南部雷暴天气是中-β尺度对流云团造成的。     

华南一次暖区暴雨的演变及云微物理机制模拟研究

利用WRF v4.0中尺度模式及0.25 °×0.25 °高分辨率的GDAS分析资料,对2017年6月15日发生在华南的一次典型暖区暴雨过程进行数值研究。多源观测资料对比分析表明,Thompson aerosol aware云微物理方案与YSU边界层方案组合合理再现了此次暴雨的演变过程。观测与模拟的强风速下传、低层风场切变及降水之间存在较好的对应关系,强的雷达反射率与水汽通量散度中心一致。在中尺度对流系统（MCS）发展和成熟阶段,冷池的出流抬升是新生对流的重要触发条件,地形的动力抬升作用并非主导。云微物理分析指出,由于华南上空充沛的水汽及过冷雨水,雪的最大来源项表现为水汽凝华成雪,而霰的最大来源项为过冷雨滴碰并冰晶、雪并冻结成霰。在零度层之下的1.5 km区域,冰相粒子的融化率可达暖雨过程（1×10-4g/(kg·s)的2倍,暗示其在融化层对雨水形成的支配作用,而雪霰的重力沉降扮演了重要角色。此外,相变过程显著影响着大气的温度变化,当对流云底较低时,低层的水汽凝结将抵消雨水蒸发导致的冷却作用,减弱地面冷池的强度。